24.2 Kąt między niezerowymi wektorami
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (4 pkt)
Oblicz:
a) cosinusy kątów wewnętrznych trójkąta ABC, jeśli $A(2, 2)$, $B(7, 3)$, $C(4, 6)$,
b) sinusy kątów wewnętrznych trójkąta ABC, jeśli $A(1, 5)$, $B(-2, 1)$, $C(4, -1)$.
a) Cosinusy kątów wynoszą: $\cos(\alpha) = \frac{7\sqrt{130}}{130}$, $\cos(\beta) = \frac{2\sqrt{13}}{13}$, $\cos(\gamma) = \frac{\sqrt{10}}{10}$.
b) Sinusy kątów wynoszą: $\sin(\alpha) = \frac{2\sqrt{5}}{5}$, $\sin(\beta) = \frac{3\sqrt{10}}{10}$, $\sin(\gamma) = \frac{\sqrt{2}}{2}$.
a) Obliczamy cosinusy kątów wewnętrznych trójkąta ABC.
Kąt A:
Wektory: $\vec{AB} = (5, 1)$, $\vec{AC} = (2, 4)$.\[\vec{AB} \cdot \vec{AC} = 5 \cdot 2 + 1 \cdot 4 = 10 + 4 = 14\]\[|\vec{AB}| = \sqrt{5^2 + 1^2} = \sqrt{26}\]\[|\vec{AC}| = \sqrt{2^2 + 4^2} = \sqrt{20}\]\[\cos A = \frac{14}{\sqrt{26}\sqrt{20}} = \frac{14}{\sqrt{520}} = \frac{14}{2\sqrt{130}} = \frac{7}{\sqrt{130}} = \frac{7\sqrt{130}}{130}\]Kąt B:
Wektory: $\vec{BA} = (-5, -1)$, $\vec{BC} = (-3, 3)$.\[\vec{BA} \cdot \vec{BC} = (-5) \cdot (-3) + (-1) \cdot 3 = 15 - 3 = 12\]\[|\vec{BA}| = \sqrt{(-5)^2 + (-1)^2} = \sqrt{26}\]\[|\vec{BC}| = \sqrt{(-3)^2 + 3^2} = \sqrt{18}\]\[\cos B = \frac{12}{\sqrt{26}\sqrt{18}} = \frac{12}{\sqrt{468}} = \frac{12}{6\sqrt{13}} = \frac{2}{\sqrt{13}} = \frac{2\sqrt{13}}{13}\]Kąt C:
Wektory: $\vec{CA} = (-2, -4)$, $\vec{CB} = (3, -3)$.\[\vec{CA} \cdot \vec{CB} = (-2) \cdot 3 + (-4) \cdot (-3) = -6 + 12 = 6\]\[|\vec{CA}| = \sqrt{(-2)^2 + (-4)^2} = \sqrt{20}\]\[|\vec{CB}| = \sqrt{3^2 + (-3)^2} = \sqrt{18}\]\[\cos C = \frac{6}{\sqrt{20}\sqrt{18}} = \frac{6}{\sqrt{360}} = \frac{6}{6\sqrt{10}} = \frac{1}{\sqrt{10}} = \frac{\sqrt{10}}{10}\]b) Obliczamy sinusy kątów wewnętrznych trójkąta ABC.
Kąt A:
Wektory: $\vec{AB} = (-3, -4)$, $\vec{AC} = (3, -6)$.\[\vec{AB} \cdot \vec{AC} = (-3) \cdot 3 + (-4) \cdot (-6) = -9 + 24 = 15\]\[|\vec{AB}| = \sqrt{(-3)^2 + (-4)^2} = \sqrt{25} = 5\]\[|\vec{AC}| = \sqrt{3^2 + (-6)^2} = \sqrt{45} = 3\sqrt{5}\]\[\cos A = \frac{15}{5 \cdot 3\sqrt{5}} = \frac{15}{15\sqrt{5}} = \frac{1}{\sqrt{5}}\]\[\sin A = \sqrt{1 - \left(\frac{1}{\sqrt{5}}\right)^2} = \sqrt{1 - \frac{1}{5}} = \sqrt{\frac{4}{5}} = \frac{2}{\sqrt{5}} = \frac{2\sqrt{5}}{5}\]Kąt B:
Wektory: $\vec{BA} = (3, 4)$, $\vec{BC} = (6, -2)$.\[\vec{BA} \cdot \vec{BC} = 3 \cdot 6 + 4 \cdot (-2) = 18 - 8 = 10\]\[|\vec{BA}| = \sqrt{3^2 + 4^2} = \sqrt{25} = 5\]\[|\vec{BC}| = \sqrt{6^2 + (-2)^2} = \sqrt{40} = 2\sqrt{10}\]\[\cos B = \frac{10}{5 \cdot 2\sqrt{10}} = \frac{10}{10\sqrt{10}} = \frac{1}{\sqrt{10}}\]\[\sin B = \sqrt{1 - \left(\frac{1}{\sqrt{10}}\right)^2} = \sqrt{1 - \frac{1}{10}} = \sqrt{\frac{9}{10}} = \frac{3}{\sqrt{10}} = \frac{3\sqrt{10}}{10}\]Kąt C:
Wektory: $\vec{CA} = (-3, 6)$, $\vec{CB} = (-6, 2)$.\[\vec{CA} \cdot \vec{CB} = (-3) \cdot (-6) + 6 \cdot 2 = 18 + 12 = 30\]\[|\vec{CA}| = \sqrt{(-3)^2 + 6^2} = \sqrt{45} = 3\sqrt{5}\]\[|\vec{CB}| = \sqrt{(-6)^2 + 2^2} = \sqrt{40} = 2\sqrt{10}\]\[\cos C = \frac{30}{3\sqrt{5} \cdot 2\sqrt{10}} = \frac{30}{6\sqrt{50}} = \frac{5}{\sqrt{50}} = \frac{5}{5\sqrt{2}} = \frac{1}{\sqrt{2}}\]\[\sin C = \sqrt{1 - \left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right)^2} = \sqrt{1 - \frac{1}{2}} = \sqrt{\frac{1}{2}} = \frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{2}\]
Zadanie 2 (3 pkt)
Wykaż, że jeśli $A(1, 1)$, $B(4, 2)$, $C(2, 3)$, to najmniejszy kąt w trójkącie ABC ma miarę $45^\circ$.
Najmniejszy kąt w trójkącie ABC ma miarę $45^\circ$, co zostało wykazane.
Obliczamy kwadraty długości boków trójkąta ABC, aby zidentyfikować najkrótszy bok.\[|AB|^2 = (4-1)^2 + (2-1)^2 = 3^2 + 1^2 = 9 + 1 = 10\]\[|BC|^2 = (2-4)^2 + (3-2)^2 = (-2)^2 + 1^2 = 4 + 1 = 5\]\[|AC|^2 = (2-1)^2 + (3-1)^2 = 1^2 + 2^2 = 1 + 4 = 5\]Najkrótsze boki to $BC$ i $AC$. Trójkąt jest równoramienny. Najmniejsze kąty znajdują się naprzeciwko tych boków, czyli przy wierzchołkach $A$ i $B$. Wystarczy obliczyć miarę jednego z nich, np. kąta $\alpha$ przy wierzchołku $A$.
Użyjemy iloczynu skalarnego wektorów $\vec{AB}$ i $\vec{AC}$.\[\vec{AB} = [4-1, 2-1] = [3, 1]\]\[\vec{AC} = [2-1, 3-1] = [1, 2]\]Iloczyn skalarny:\[\vec{AB} \cdot \vec{AC} = 3 \cdot 1 + 1 \cdot 2 = 3 + 2 = 5\]Długości wektorów:\[|\vec{AB}| = \sqrt{10}\]\[|\vec{AC}| = \sqrt{5}\]Cosinus kąta $\alpha$:\[\cos \alpha = \frac{\vec{AB} \cdot \vec{AC}}{|\vec{AB}| \cdot |\vec{AC}|} = \frac{5}{\sqrt{10} \cdot \sqrt{5}} = \frac{5}{\sqrt{50}} = \frac{5}{5\sqrt{2}} = \frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{2}\]Zatem miara kąta $\alpha$ wynosi $45^\circ$. Jest to jeden z dwóch najmniejszych kątów w tym trójkącie.
Zadanie 3 (2 pkt)
Wyznacz liczbę $a$, dla której wektory $\vec{u}$ i $\vec{v}$, gdzie $\vec{u}=[3a+1, 2]$ i $\vec{v}=[a-1, -3]$ są:
a) równoległe
b) prostopadłe.
a) Wektory są równoległe dla $a = -\frac{1}{11}$.
b) Wektory są prostopadłe dla $a = \frac{1 - \sqrt{22}}{3}$ lub $a = \frac{1 + \sqrt{22}}{3}$.
a) Warunek równoległości wektorów $\vec{u}=[u_x, u_y]$ i $\vec{v}=[v_x, v_y]$ to zerowanie się wyznacznika ich współrzędnych: $u_x v_y - u_y v_x = 0$.
Podstawiamy współrzędne podanych wektorów do równania:\[ (3a+1) \cdot (-3) - 2 \cdot (a-1) = 0 \]\[ -9a - 3 - 2a + 2 = 0 \]\[ -11a - 1 = 0 \]\[ 11a = -1 \]\[ a = -\frac{1}{11} \]b) Warunek prostopadłości wektorów $\vec{u}=[u_x, u_y]$ i $\vec{v}=[v_x, v_y]$ to zerowanie się ich iloczynu skalarnego: $u_x v_x + u_y v_y = 0$.
Podstawiamy współrzędne podanych wektorów do równania:\[ (3a+1)(a-1) + 2 \cdot (-3) = 0 \]\[ 3a^2 - 3a + a - 1 - 6 = 0 \]\[ 3a^2 - 2a - 7 = 0 \]Rozwiązujemy równanie kwadratowe. Obliczamy wyróżnik $\Delta$.\[ \Delta = b^2 - 4ac = (-2)^2 - 4 \cdot 3 \cdot (-7) = 4 + 84 = 88 \]\[ \sqrt{\Delta} = \sqrt{88} = \sqrt{4 \cdot 22} = 2\sqrt{22} \]\[ a_1 = \frac{-b - \sqrt{\Delta}}{2a} = \frac{2 - 2\sqrt{22}}{2 \cdot 3} = \frac{2(1 - \sqrt{22})}{6} = \frac{1 - \sqrt{22}}{3} \]\[ a_2 = \frac{-b + \sqrt{\Delta}}{2a} = \frac{2 + 2\sqrt{22}}{2 \cdot 3} = \frac{2(1 + \sqrt{22})}{6} = \frac{1 + \sqrt{22}}{3} \]
Zadanie 4 (2 pkt)
Wykaż, że punkty $A(-2, -3)$, $B(1, 3)$, $C(4, 9)$ są współliniowe.
Wykazano, że wektory $\vec{AB}$ i $\vec{AC}$ są równoległe, a ponieważ mają wspólny punkt $A$, punkty $A, B, C$ są współliniowe.
Aby wykazać, że punkty $A, B$ i $C$ są współliniowe, sprawdzimy, czy wektory $\vec{AB}$ i $\vec{AC}$ są równoległe. Wektory są równoległe, jeśli sinus kąta między nimi jest równy 0.
Krok 1: Wyznaczamy współrzędne wektorów $\vec{AB}$ i $\vec{AC}$.
Dla punktów $A = (-2, -3)$, $B = (1, 3)$, $C = (4, 9)$ mamy:
Wektor $\vec{u} = \vec{AB}$:\[
\vec{AB} = [x_B - x_A, y_B - y_A] = [1 - (-2), 3 - (-3)] = [3, 6]
\]Wektor $\vec{v} = \vec{AC}$:\[
\vec{AC} = [x_C - x_A, y_C - y_A] = [4 - (-2), 9 - (-3)] = [6, 12]
\]Krok 2: Sprawdzamy warunek równoległości wektorów.
Warunek równoległości wektorów $\vec{u}=[u_1, u_2]$ i $\vec{v}=[v_1, v_2]$ to $u_1v_2 - u_2v_1 = 0$. Sprawdzamy ten warunek dla naszych wektorów:\[
3 \cdot 12 - 6 \cdot 6 = 36 - 36 = 0
\]Krok 3: Wnioski.
Warunek równoległości jest spełniony, więc wektory $\vec{AB}$ i $\vec{AC}$ są równoległe. Ponieważ oba wektory wychodzą z tego samego punktu $A$, punkty $A, B$ i $C$ muszą leżeć na jednej prostej.
Zadanie 5 (4 pkt)
Dane są punkty $A(2, 5)$, $B(4, -1)$. Wyznacz na prostej $k: y = 3x$ punkt $P$ tak, aby kąt $APB$ był prosty.
Szukane punkty to $P_1 = (\frac{9 - \sqrt{51}}{10}, \frac{27 - 3\sqrt{51}}{10})$ oraz $P_2 = (\frac{9 + \sqrt{51}}{10}, \frac{27 + 3\sqrt{51}}{10})$.
Aby kąt $APB$ był prosty, wektory $\vec{PA}$ i $\vec{PB}$ muszą być prostopadłe, co oznacza, że ich iloczyn skalarny musi być równy zero.
Niech punkt $P$ ma współrzędne $(x, y)$. Ponieważ punkt $P$ leży na prostej $k: y = 3x$, jego współrzędne możemy zapisać jako $P = (x, 3x)$.
Wyznaczamy współrzędne wektorów $\vec{PA}$ i $\vec{PB}$:\[\vec{PA} = A - P = (2 - x, 5 - 3x)\]\[\vec{PB} = B - P = (4 - x, -1 - 3x)\]Obliczamy iloczyn skalarny tych wektorów i przyrównujemy go do zera:\[\vec{PA} \cdot \vec{PB} = 0\]\[(2 - x)(4 - x) + (5 - 3x)(-1 - 3x) = 0\]\[8 - 2x - 4x + x^2 - 5 - 15x + 3x + 9x^2 = 0\]Porządkujemy równanie:\[10x^2 - 18x + 3 = 0\]Jest to równanie kwadratowe. Obliczamy wyróżnik $\Delta$:\[\Delta = b^2 - 4ac = (-18)^2 - 4 \cdot 10 \cdot 3 = 324 - 120 = 204\]\[\sqrt{\Delta} = \sqrt{204} = \sqrt{4 \cdot 51} = 2\sqrt{51}\]Obliczamy pierwiastki równania:\[x_1 = \frac{-b - \sqrt{\Delta}}{2a} = \frac{18 - 2\sqrt{51}}{2 \cdot 10} = \frac{9 - \sqrt{51}}{10}\]\[x_2 = \frac{-b + \sqrt{\Delta}}{2a} = \frac{18 + 2\sqrt{51}}{2 \cdot 10} = \frac{9 + \sqrt{51}}{10}\]Obliczamy odpowiadające współrzędne $y$:
Dla $x_1 = \frac{9 - \sqrt{51}}{10}$:\[y_1 = 3x_1 = 3 \cdot \frac{9 - \sqrt{51}}{10} = \frac{27 - 3\sqrt{51}}{10}\]Zatem $P_1 = (\frac{9 - \sqrt{51}}{10}, \frac{27 - 3\sqrt{51}}{10})$.
Dla $x_2 = \frac{9 + \sqrt{51}}{10}$:\[y_2 = 3x_2 = 3 \cdot \frac{9 + \sqrt{51}}{10} = \frac{27 + 3\sqrt{51}}{10}\]Zatem $P_2 = (\frac{9 + \sqrt{51}}{10}, \frac{27 + 3\sqrt{51}}{10})$.
Grupa B
Zadanie 1 (4 pkt)
Oblicz:
a) cosinusy kątów wewnętrznych trójkąta ABC, jeśli $A(-1, -2)$, $B(5, 1)$, $C(1, 4)$,
b) sinusy kątów wewnętrznych trójkąta ABC, jeśli $A(0, 0)$, $B(5, 12)$, $C(-3, 4)$.
a) Cosinusy kątów wynoszą: $\cos(\alpha) = \frac{\sqrt{2}}{2}$, $\cos(\beta) = \frac{\sqrt{5}}{5}$, $\cos(\gamma) = \frac{\sqrt{10}}{10}$.
b) Sinusy kątów wynoszą: $\sin(\alpha) = \frac{56}{65}$, $\sin(\beta) = \frac{7\sqrt{2}}{26}$, $\sin(\gamma) = \frac{7\sqrt{2}}{10}$.
Zadanie 2 (3 pkt)
Wykaż, że jeśli $A(0, 3)$, $B(-1, 2)$, $C(-3, 2)$, to największy kąt w trójkącie ABC ma miarę $135^\circ$.
Największy kąt w trójkącie ABC ma miarę $135^\circ$, co zostało wykazane.
Zadanie 3 (2 pkt)
Wyznacz liczbę $a$, dla której wektory $\vec{u}$ i $\vec{v}$, gdzie $\vec{u}=[a-2, 3a]$ i $\vec{v}=[4, -2]$ są:
a) równoległe
b) prostopadłe.
a) Wektory są równoległe dla $a = \frac{2}{7}$.
b) Wektory są prostopadłe dla $a = -4$.
Zadanie 4 (2 pkt)
Wykaż, że punkty $A(-1, 8)$, $B(0, 5)$, $C(2, -1)$ są współliniowe.
Wyznacznik wektorów $\vec{BA}$ i $\vec{BC}$ jest równy 0, co dowodzi ich równoległości. Ponieważ mają one wspólny punkt B, punkty A, B i C są współliniowe.
Zadanie 5 (4 pkt)
Dane są punkty $A(-2, 3)$, $B(4, 1)$. Wyznacz na prostej $k: y = x - 1$ punkt $P$ tak, aby kąt $APB$ był prosty.
Szukane punkty to $P_1 = (4, 3)$ oraz $P_2 = (0, -1)$.
